● 摘要
在许多领域中，对微小物体的操作技术一直都是极富挑战性的课题，在对微纳米器件或生物学对象进行操作、加工、表征、装配及测试中，该技术发挥着关键性作用，正成为微纳米技术尤其是微自动化领域中的一个极为重要的研究方向。在微全分析系统研究中，生物样本的富集和分离是个十分活跃的领域。许多研究者希望能在微芯片上实现生物样品成分的富集和分离，便于后续的微分析及检测系统的集成，但目前富集微芯片的研究尚显不足。论文旨在研究微粒操作理论，实现声场对微粒的操作。利用压电陶瓷材料产生的声场对流体中粒子进行有效控制而达到富集的目的，该方法具有结构简单、体积小、耗能低、操作控制方便、没有间隙和活动部件等优点。论文将压电换能器原理与声学理论相结合，利用压电换能器激发声场以实现对微流体中微粒控制。在研究压电陶瓷激发声波场对微粒控制机理的基础上，分析驻波声场中微粒受力及运动情况，并且对压电陶瓷激发行波的原理和驱动流体运动的机理进行了探讨。运用有限元法和解析法建立声场对微粒作用的动力学分析模型，研究变形模式、微流场分布等问题。通过对器件结构的仿真分析，获得压力场分布图，证明了采用压电陶瓷可以激发驻波声场，能够对微粒实现一维和二维捕捉。论文设计了两种基于压电陶瓷激发声场对微粒控制的结构器件。其中一种微粒控制器件是基于压电陶瓷共面结构的微粒操作器件（CP-PMD），可实现微粒的富集和传输。对该器件的结构进行了仿真优化，由此得出，当基体壁厚与压电陶瓷厚度相当，即振膜与压电陶瓷比约为1时，其振动效果较好。同时，利用电水力驱动技术设计了微粒传输装置，并与微粒富集结构相结合提出了另一种微粒富集传输装置（EHD-PMD），研究了器件的设计流程。论文设计制作了两种压电驱动微粒富集装置（SW-PMD），并进行了实验研究，观测到清晰的微粒富集过程和结果，实现了驻波声场对微粒（10μm聚苯乙烯小球和DNA质粒）的富集作用。